單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池的原理？

【專家解說】：高純的單晶硅棒是單晶硅太陽電池的原料，硅純度要求99.999％。單晶硅太陽電池是當(dāng)前開發(fā)得最快的一種太陽電池，它的構(gòu)和生產(chǎn)工藝已定型，產(chǎn)品已廣泛用于空間和地面。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應(yīng)用的太陽電池等采用太陽能級(jí)的單晶硅棒，材料性能指標(biāo)有所放寬。有的也可使用半導(dǎo)體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過復(fù)拉制成太陽電池專用的單晶硅棒。 單晶硅是轉(zhuǎn)化太陽能、電能的主要材料。在日常生活里，單晶硅可以說無處不在，電視、電腦、冰箱、電話、汽車等等，處處離不開單晶硅材料；在高科技領(lǐng)域，航天飛機(jī)、宇宙飛船、人造衛(wèi)星的制造，單晶硅同樣是必不可少的原材料。 在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，利用單晶硅所生產(chǎn)的太陽能電池可以直接把太陽能轉(zhuǎn)化為光能，實(shí)現(xiàn)了邁向綠色能源革命的開始?，F(xiàn)在，國外的太陽能光伏電站已經(jīng)到了理論成熟階段，正在向?qū)嶋H應(yīng)用階段過渡，太陽能單晶硅的利用將普及到全世界范圍，市場需求量不言而喻。 直拉硅單晶廣泛應(yīng)用于集成電路和中小功率器件。區(qū)域熔單晶目前主要用于大功率半導(dǎo)體器件，比如整流二極管，硅可控整流器，大功率晶體管等。 區(qū)熔（NTD）單晶硅可生產(chǎn)直徑范圍為：Φ1.5〃- Φ4〃。 直拉單晶硅可生產(chǎn)直徑范圍為：Φ2〃-Φ8〃。 硅單晶被稱為現(xiàn)代信息社會(huì)的基石。硅單晶按照制備工藝的不同可分為直拉（CZ）單晶硅和區(qū)熔（FZ）單晶硅，直拉單晶硅被廣泛應(yīng)用于微電子領(lǐng)域，微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使人類社會(huì)進(jìn)入了信息化時(shí)代，被稱為硅片引起的第一次革命。區(qū)熔單晶硅是利用懸浮區(qū)熔技術(shù)制備的單晶硅。它的用途主要包括以下幾個(gè)方面。 1、制作電力電子器件 電力電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電力管理，提高電功效率的關(guān)鍵技術(shù)。飛速發(fā)展的電力電子被稱為“硅片引起的第二次革命”，大多數(shù)電力電子器件是用區(qū)熔單晶硅制作的。電力電子器件包括普通晶閘管(SCR)、電力晶體管GTR、GTO以及第三代新型電力電子器件——功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)以及功率集成電路(PIC)等，廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì)磁、電加熱、高性能交直流電源等電力系統(tǒng)和電氣工程中。制作電力電子器件，是區(qū)熔單晶硅的傳統(tǒng)市場，也是本項(xiàng)目產(chǎn)品的市場基礎(chǔ)。 2、制作高效率太陽能光伏電池 太陽能目前已經(jīng)成為最受關(guān)注的綠色能源產(chǎn)業(yè)。美國、歐洲、日本都制定了大力促進(jìn)本國太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，我國也于2005年3月份通過了《可再生能源法》。這些措施極大地促進(jìn)了太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1998—2004年，國際太陽能光伏電池的市場一直保持高速增長的態(tài)勢，年平均增長速度達(dá)到30%，預(yù)計(jì)到2010年，仍將保持至少25%的增長速度。 晶體硅是目前應(yīng)用最成熟，最廣泛的太陽能電池材料，占光伏產(chǎn)業(yè)的85%以上。美國SunPower公司最近開發(fā)出利用區(qū)熔硅制作太陽能電池技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)化規(guī)模光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20%，為目前產(chǎn)業(yè)化最高水平，其綜合性價(jià)比超過直拉單晶硅太陽能電池（光電轉(zhuǎn)換效率為15%）和多晶硅太陽能電池（光電轉(zhuǎn)換效率為12%）。這項(xiàng)新技術(shù)將會(huì)極大地?cái)U(kuò)展區(qū)熔硅單晶的市場空間。據(jù)估計(jì)，到2010年，其總的市場規(guī)模到將達(dá)到電力電子需求規(guī)模，這是本項(xiàng)目新的市場機(jī)會(huì)。 3、制作射頻器件和微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS） 區(qū)熔單晶還可以用來制作部分分立器件。另外采用高阻區(qū)熔硅制造微波單片集成電路（MMIC）以及微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）等高端微電子器件，被廣泛應(yīng)用于微波通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航、測控、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，顯示出巨大的應(yīng)用前景。這也是區(qū)熔單晶的又一個(gè)新興的市場機(jī)會(huì)。 4、制作各種探測器、傳感器，遠(yuǎn)紅外窗口 探測器、傳感器是工業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵元器件，被廣泛應(yīng)用于光探測、光纖通訊、工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中以及醫(yī)療、軍事、電訊、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。高純的區(qū)熔硅單晶是制作各種探測器、傳感器的關(guān)鍵原材料，其市場增長趨勢也很明顯。 太陽能電池的原理 太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。 太陽能發(fā)電方式太陽能發(fā)電有兩種方式 一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。 太陽能電池的分類 太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式(以下表示為a-)兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形。 按材料可分為硅薄膜形、化合物半導(dǎo)體薄膜形和有機(jī)膜形，而化合物半導(dǎo)體薄膜形又分為非結(jié)晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化鋅 (Zn 3 p 2 )等。 太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池四大類，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。 （1） 硅太陽能電池 硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。 （2） 多元化合物薄膜太陽能電池 多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。 （3） 聚合物多層修飾電極型太陽能電池 以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽能電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能，提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。 （4） 納米晶太陽能電池 納米TiO2晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～1/10．壽命能達(dá)到2O年以上。